隧道洞口Ⅴ級圍巖柱式洞門設計

隧道洞口Ⅴ級圍巖柱式洞門設計

基于某隧道洞口段處于Ⅴ級圍巖段的地質特性，結合工程上常用的相應圍巖段適應洞門形式，分析這樣地質特點的隧道洞口處于Ⅴ級圍巖時柱式洞門適用性。假定Ⅴ級圍巖洞口地段地質概況及仰坡坡率，并根據假定概況進行尺寸計算，然后進行穩定性驗算，從而確定此Ⅴ級圍巖段的洞口是否適合柱式洞門。

研究背景

工程中在進行隧道的洞門形式選擇的時候，常用的洞門形式及適用情況一般有如下幾種。

洞口環框。適用于Ⅰ～Ⅱ級圍巖段，而且當地勢陡峻又排水的要求時，可以只修建洞口環框，起到加固洞口以及減少洞口雨后滴水作用。

端墻式。適用于Ⅱ～Ⅲ級圍巖段，地形盡可能開闊，圍巖要穩定。洞門主要由端墻和排水溝以及它的洞門頂構成成。其中端墻的作用主要是抵抗洞門上的山體縱向推力以及支持端墻式洞門洞口上的仰坡。

翼墻式。適用于Ⅳ級及以上圍巖段，翼墻主要起到抵抗洞口正面山體的縱向推力，增加翼墻式洞門穩定性的作用。

柱式。適用于Ⅳ級圍巖段中仰坡有下滑的可能性，而且又受地質以及地形條件的限制而不能設置翼墻時可優先考慮設置柱式洞門。

削竹式。適用于洞口段有較長的明洞襯砌，因為洞門背后較大范圍是回填土，所以山體的推滑力不大，設置削竹式比較合適。

本研究主要以《公路隧道設計規范》（JTG D70/2-2014）為參考，通過分析Ⅴ級圍巖段地質條件以及工程經驗適用條件，研究隧道是否適合柱式洞門，并給出初步設計尺寸，驗算穩定性，從而最終得出結論。

隧道洞口地質概況

進口洞口淺埋段，埋深0.0～35m，為Ⅴ級圍巖段。圍巖主要以殘坡積層和泥巖構成，巖體呈碎石狀松散結構，風化裂隙較為發育，拱部比較容易發生塌方事故，側壁自穩性較差。

出口洞口淺埋段，埋深0.0～25m，為Ⅴ級圍巖段。圍巖構成主要是殘坡積層，巖體整體呈碎石狀松散狀結構，風化裂隙比較發育，比較容易形成坍塌。

進口段洞口坡度大致為25°～35°，圍巖級別為Ⅴ級，上層地層厚度較厚，而且洞口段地下水貧乏，不用設置特殊防排水措施。所以，考慮到施工和支護方面上的便利性，進口端左、右洞門形式可初步考慮采用柱式洞門。

出口端地表是斜坡地表，圍巖級別是Ⅴ級，洞口坡度30°～40°。上覆土層很厚，圍巖壓力也很大，考慮采用柱式洞門。

進口和出口段就假定的地質條件而言整體大致符合柱式洞門使用條件，關鍵在于驗算Ⅴ級圍巖條件下的洞門穩定性。

尺寸計算以及穩定性驗算

考慮到進口端和出口端的地質情況相仿，洞口坡度也一致，所以將隧道進、出口的洞門進行統一設計。將坡度設為1：0.25，墻身厚度1.3m。洞門的墩柱安排在A部分，這里是主墻受力最大部分，寬度設置為1.5m，厚度1.3m，高度和洞門相當。基礎的埋深初步設置成1.5m，仰坡的坡率為1∶1.25，洞門頂部到襯砌拱頂的外緣的距離設置為2.5m。H=1.5+8.09+2.5=12.09m ，計算圖式如圖1所示。

土壓力系數確定

φ=43°3，γ=18kn°mβ=33.7

σ=0.6Mpa

根據莫爾圓中半圓解、半數解法可知

土壓力系數：

式中：λ為土壓力系數，φ為內摩擦角，β為隧道頂部地面斜坡坡腳。

然后進行校驗。隧道洞門計算圖示的B部分的穩定性以及強度來確定主墻的尺寸，隧道洞門計算圖示的A部分這個墩柱與端墻一起作用的部分來確定墩柱尺寸。

采用的基本公式

①洞門墻的抗傾覆穩定性驗算：

式中：K0為傾覆穩定系數，M0為各個水平力對墻趾的傾覆力矩，My為各個垂直力對墻趾的穩定力矩。

②洞門墻抗滑移穩定性驗算。

式中：Kc為滑動穩定系數，E為墻后主動土壓力的水平分力，N 為作用于基底上的垂直力，f 為基底摩擦系數；α為基底傾斜角。

③洞門墻基底合力偏心距計算。

式中：e 為水平基底偏心距，B為水平基底寬度，其他符號含義同式（2）、（3）。

④洞門墻基底應力計算。

式中：σmax為基底最大壓力，σmin為基底最小壓力，其他符號含義同式（4）、（5）。

⑤洞門墻墻身截面的偏心距以及它的強度計算。

偏心距：

式中：M為計算的截面上各個力對截面的形心力矩之代數和，N為各個作用于計算截面上的垂直力之和。

截面應力：

式中：A 為計算截面面積，W 為計算截面地抗矩，M、N意義同式（8）。

B部分計算為。

圖1　隧道洞門

土壓力：

自重：

①抗傾覆驗算

計算結果表明，滿足抗傾覆的要求。

②墻身截面上的偏心驗算

偏心距：③墻身的截面強度驗算應力：

出現負值，結構將發生應力重分布，應力重分布之后的最大應力值為：

滿足墻身截面的強度要求。

計算表明，墻身厚度為1.3m，滿足基本要求。

A部分計算結果。

由于A的部分是墩柱和端墻一起承擔荷載的地方，安排在洞門受荷最為大的地方。所以，把A在墻身原有厚度基礎之上再加1.3m。

土壓力：

自重：

①抗傾覆驗算

所以滿足抗傾覆。

②抗滑移驗算

地基摩擦系數f=0.4

滿足抗滑移

③基底合力偏心距驗算

基底偏心距：

滿足要求

④應力驗算

基底兩邊緣點法向應力σ1、σ2

兩者都小于［σ］=0.6Mpa，滿足要求。

⑤墻身截面的偏心驗算以及它的強度驗算

滿足偏心距要求。又由：

應力重分布后最大值：

滿足墻身強度要求。綜上所述，洞門尺寸滿足要求。

建議

本文研究了處于Ⅴ級圍巖段的隧道洞口地段對于柱式洞門的適用性。結果表明：

（1）當圍巖處于Ⅳ級以上級別時，由于圍巖條件較差，大多選取翼墻式洞門，但當仰坡有下滑的可能性，而又受地質條件的限制從而不能設置翼墻時可考慮采用柱式洞門；

（2）對于以上的情況進行假定尺寸驗算穩定性后，結果顯示都為滿足，故確定當隧道的進、出口段處于Ⅴ級圍巖時都可采用柱式洞門；

（3）洞門尺寸作用為驗算洞門穩定性進而確定柱式洞門可用，結果顯示滿足。對于洞口處于Ⅴ級圍巖段的隧道具有一定參考性。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.024